陶凤，清华大学地球系统科学系（以下简称地学系）2023届博士毕业生，本科就读于中山大学环境科学与工程学院，2018年免试推荐开始在清华大学地学系攻读博士学位。师从清华大学地学系黄小猛教授及康奈尔大学骆亦其教授。主要研究方向为全球土壤碳循环。博士期间以第一作者在Nature发表研究论文，曾获国家留学基金委奖学金，荣获清华大学第27届学术新秀，清华大学优秀毕业生等荣誉。曾在马克斯普朗克生物地球化学研究所联合培养学习。毕业后将赴康奈尔大学开展博士后研究工作。

在科研的无人之境自由探索

在生态学中，对土壤系统的研究被认为是最后的前沿。至今，人们对土壤的形成、发育及其与地球系统其他组成部分的相互作用仍知之甚少。对土壤中有机碳的研究始于达尔文时代，但其中的一些基本科学问题至今仍未有定论。随着工业革命人类活动对全球碳循环的影响日益显著，理解陆地生态系统中最大的碳库——土壤有机碳的形成和储存，变得愈发紧迫和重要。

对研究古老问题的突破往往需要新的思路。自坚定在清华大学地学系攻读博士学位后，陶凤便在骆亦其教授的指导下开始了对土壤有机碳的研究。他首先尝试了优化过程模型模拟全球土壤有机碳的空间分布。然而，传统的优化方法并不能显著提高模型模拟精度，土壤过程在不同空间的巨大异质性导致过程模型很难通过恒定不变的模型参数准确描述关键生态过程，这就需要一种新的方法解决以上问题。转机来自黄小猛教授的《地学高性能计算与大数据》这门课程。“课上，我看到了借助机器学习方法解决自己研究问题的一种全新可能性。”陶凤介绍。以深度学习为代表的机器学习方法在过去往往被用于直接预测所研究变量的时空取值，也因此常被质疑“徒有高的预测精度，不能给出机理解释”。“能否找到一种方法，让机器学习探索变量背后的机理过程？尽管这一想法彼时在土壤碳循环领域从未有人探索，在两位导师的鼎力支持下，我还是决定闯入这‘无人之境’。”陶凤说。在一次次尝试后，陶凤发展了“过程驱动和数据驱动融合的深度学习建模（PRODA）方法”，将机理模型、生态大数据、传统数据同化与人工智能有机结合，系统揭示了土壤碳循环模型中参数的环境依赖性，将过程模型对土壤有机碳储量及其空间分布模拟能力首次提升到与纯机器学习结果相当水平。“生活中我并不喜欢冒险，不过在科学研究中我享受自由探索的感觉。孤独，但刺激。”陶凤说。

图 陶凤与导师黄小猛教授（上图）和骆亦其教授（下图）合影

在生活的槌打中坚强成长

科研中仅有热情是不够的，保持信念的纯粹是陶凤敢于啃科学问题中的硬骨头的勇气来源，也是支撑他长时间没有产出仍甘于坐冷板凳的动力。“外部的奖励与荣誉可以带来快乐，但对一个重要科学问题给出完整的解答让我感到幸福。”陶凤说。怀着这样的心态，陶凤在完成PRODA方法论构建后的三年时间里并没有着急发文章，而是沉下心来，系统全面地探究了控制全球土壤有机碳形成和储存关键机制这一基础问题。以PRODA方法将土壤大数据与复杂过程模型结合，通过数据同化、深度学习及荟萃分析，陶凤在全球尺度首次揭示了微生物碳利用效率是所研究的土壤有机碳形成和储存的七种机制中最关键的，高的微生物碳利用效率主要促进了土壤有机碳积累。这一研究结果推动了土壤有机碳探究范式中心由“植物碳输入-有机碳降解”向微生物过程的转变，为理解土壤碳循环对气候变化的响应、增进土壤固碳以实现碳中和提供了科学理论基础。

这一成果的取得和发表并非一帆风顺。三年间，陶凤通过多种方法反复验证了研究结果的可重复性，对其中的科学问题和结论，与合作者、审稿人进行了广泛讨论，在经历一年半文章撰写、一年半投稿、五轮审稿、五十余次文章修改后，最终将研究成果发表在《自然》杂志。三年间，他有过自我怀疑，有过想要放弃，但是导师自始至终的信任和鼓励，以及自己对追寻科学问题答案的着迷让他坚持到了最后。“回头来看，比较坎坷的经历对我来说是宝贵的财富。我收获的不仅是一篇文章，而是对于什么是好的科学问题，如何培养独立进行科研的能力有了更多的思考。同时，也练就了我面对困境时的自信和坚定。”陶凤坦言。

图 陶凤作学术报告

做一名胸怀世界的新地学人

在陶凤看来，作为新一代的科研人员，对碳循环机理的探索既来源于对探索基础科学中未知问题的志趣，而用科研这种方式，为应对气候变化贡献力量也是他作为21世纪新一代地学人的责任。访问联合国粮食及农业组织总部的经历，为他开启了一扇窗，培养了他以全球视野来关注气候变化对人类社会的影响，也让他第一次真切认识到科学研究能在国际组织及各国的政策制定中起到积极作用。受此鼓舞，陶凤在联合国粮食及农业组织访问期间，深入参与到全球土壤伙伴关系的相关工作中，参与了全球土壤碳储存潜力地图技术路线的制定，并在国际土壤信息机构网络（INSII）第五届工作会议中代表全球土壤伙伴关系秘书处作相关报告。

图 陶凤在国外访问期间与同事合影

学习期间，陶凤参加国际学术交流活动的经历帮助他构建了国际化的合作网络。在导师大力支持下，他每年都至少在两个大型国际会议上作学术报告，与世界各地的研究者交流科研进展。在此过程中，他不仅能够学习到各国科研人员的前沿工作，也被他们在应对气候变化的责任感和担当所感动。

盛夏之后，陶凤在清华园的故事也告一段落，又将奔赴新的征程。尽管研究的课题在变化，但以探索科学的边界与挑战自身极限的目标不变。不变的，还有他那想通过科学研究为应对气候变化做出贡献的初心。

供稿：陶凤

编辑：王佳音

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